JPH11336643A

JPH11336643A - 筒内噴射用電磁式燃料噴射弁

Info

Publication number: JPH11336643A
Application number: JP10140796A
Authority: JP
Inventors: Yoshio Okamoto; 良雄岡本; Yuzo Kadomukai; 裕三門向; Makoto Yamakado; 山門　　誠; Yoshiyuki Tanabe; 好之田辺; Yasuhisa Hamada; 泰久濱田
Original assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Car Engineering Co Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Astemo Ltd
Priority date: 1998-05-22
Filing date: 1998-05-22
Publication date: 1999-12-07

Abstract

(57)【要約】【課題】筒内噴射ガソリンエンジンは、負荷によって均
質燃焼と成層燃焼を使い分ける。均質燃焼では部分的に
強い流動を有しかつ広く分散した噴霧を、成層燃焼では
コンパクトな噴霧をそれぞれ実現することが必至で、こ
れらを両立し得る筒内噴射用電磁式燃料噴射弁が必要と
なる。【解決手段】筒内噴射用電磁式燃料噴射弁としてスワー
ルタイプの噴射弁を用い、燃料のスワール力を強めて広
角噴霧とし分散性を高めるとともに、噴射孔出口部に衝
突壁を設け部分的に強い流動を形成した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ガソリンを燃焼室
内に直接噴射して燃焼させる内燃機関（以下、筒内噴射
ガソリンエンジンと称す）にあって、負荷によって幅広
く変わる燃焼状況に、適合し得る噴霧特性でもって噴射
可能な筒内噴射用電磁式燃料噴射弁に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】エンジンの吸気管内に燃料を噴射する吸
気管内燃料噴射装置に対して、燃焼室内に直接燃料を噴
射する筒内燃料噴射装置が知られている。

【０００３】このような、筒内噴射ガソリンエンジンと
して、特開平6−146886 号公報がある。本引例では、燃
料噴射弁の取付け位置に対する配慮と、吸気開口端から
上方に延びる吸気ポートにより燃焼室内に縦渦の吸気流
れを形成する構成として、理論混合気よりも希薄な燃料
で希薄燃焼を安定して行い、燃費を改善するというもの
である。

【０００４】一方、筆者らが検討した筒内噴射ガソリン
エンジンは、燃焼室内に吸気スワール流を生成するもの
で、従来エンジンのシリンダヘッドを大幅に変更するこ
となく希薄燃焼を実現しようとするものである。以下、
第１０図を用いて、安定した燃焼を確保するための噴霧
形成法について説明する。詳細は後述するが、この筒内
噴射ガソリンエンジンに取り付けられる電磁式燃料噴射
弁は、シリンダヘッドに３０°〜４５°程度の傾斜をも
って取り付けられており、その噴射孔はピストンに設け
られるキャビティ（凹み）に向けられている。

【０００５】この種の筒内噴射ガソリンエンジンは、負
荷によって均質燃焼と成層燃焼を使い分けている。筆者
らの実験解析結果によると、均質燃焼では、燃焼室全体
に噴霧を拡散させて混合気の均質化を行うため広い噴霧
角で均質な噴霧が有効であること、また、点火性向上の
ためには、プラグ回りへ可燃蒸気を導く必要から噴霧に
部分的に強い流れを作ることが有効であることがわかっ
た。一方、成層燃焼では、混合気の過度の分散を防止し
て点火プラグ回りに可燃蒸気を集中させるため噴霧角は
狭くコンパクトな噴霧が有効であることがわかった。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】前記したように、均質
燃焼では広く分散した噴霧でしかも部分的に強い流れを
有する噴霧が、成層燃焼ではコンパクトな噴霧がそれぞ
れ必要となるが、このような噴霧を生成するために、筆
者らはスワールタイプの電磁式燃料噴射弁を用いてい
る。

【０００７】スワールタイプの噴霧は、大気圧下では内
部に空洞を有する中空円錐状となる。燃料噴射孔出口部
の液膜は速やかに分裂微粒化し、液滴の運動量が即座に
失われてペネトレーションが抑制されるというのが特徴
である。このために、広く分散した噴霧は比較的得やす
いが、反面、部分的に強い流動は得られない。

【０００８】本発明の目的は、大気圧下でも部分的に強
い流動を有する噴霧を生成し得る電磁式燃料噴射弁を提
供するものであり、この強い流動を有する噴霧により筒
内噴射ガソリンエンジンの点火性，燃焼性ともに向上す
る筒内噴射用電磁式燃料噴射弁を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】スワールタイプの噴霧
は、加圧下では雰囲気密度の増大によってペネトレーシ
ョンは抑制されるとともに、噴霧内外の圧力差によって
噴霧はしぼみ、形態としてはコンパクトな中実構造の噴
霧となる。成層燃焼では、圧縮行程中（ピストンが上昇
して燃焼室内の圧力が高まる）に燃料を噴射するため、
このような形状変化は好ましい。したがって、均質燃焼
と成層燃焼を使い分ける筒内噴射ガソリンエンジンで
は、大気圧下での噴霧に部分的に強い流動を調整付加す
ることで点火性と燃焼性の両立を図ることが可能とな
る。

【００１０】このために、本発明の筒内噴射用電磁式燃
料噴射弁は、内部に燃料の流通する燃料通路が形成され
るとともに、該燃料通路の開閉を行う弁部材と、該弁部
材の弁座部の上流側において燃料に旋回を与える燃料旋
回部材と、また、該弁座部の下流側において燃料の通過
を許す燃料噴射孔とを備え、燃料噴射孔より僅かに離れ
た位置にあって、該燃料噴射孔の中心を通る面のいずれ
か一方面側に軸方向下流に延びる、該燃料噴射孔の直径
より大きい面を有する衝突壁を設け、該衝突壁により噴
霧を部分的に集めて流動の強い噴霧としている。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施例を図１な
いし図５により説明する。図１は本発明の一実施例を示
す筒内噴射用電磁式燃料噴射弁１の縦断面図、図２は弁
部を拡大した縦断面図、図３は図２のＡ方向視図、図４
及び図５は筒内における噴霧の流動を示す模式図であ
る。各々の図を用いて構造及び動作について説明する。

【００１２】電磁式燃料噴射弁１は、コントロールユニ
ットにより演算されたデューティのＯＮ−ＯＦＦ信号に
よりシート部の開閉を行うことにより燃料の噴射を実施
する。磁気回路は、有底筒状のヨーク３，ヨーク３の開
口端を閉じる栓体部２ａとヨーク３の中心部に延びる柱
状部２ｂとからなるコア２及びコア２に空隙を隔てて対
面するプランジャ４とからなる。柱状部２ｂの中心に
は、プランジャ４とロッド５とボール弁６からなる可動
部４Ａを、ノズル部材７に形成された燃料の通過を許す
噴射孔部８の上流側のシート面９に、押圧する弾性部材
としてのスプリング１０を挿入保持するための穴が設け
てある。スプリング１０の上端は、セット荷重を調整す
るためにコア２の中心に挿通されたスプリングアジャス
タ１１の下端に当接している。

【００１３】コア２の柱状部２ｂ側とヨーク３の可動部
４Ａ側で対面する隙間部は、コイル１４側へ燃料が流出
するのを防ぐために、両者間に機械的に固定されたシー
ルリング１２が設けられている。磁気回路を励磁するコ
イル１４はボビン１３に巻かれ、その外周をプラスチッ
ク材でモールドされている。これらから成るコイル組立
体１５の端子１７は、コア２のつば部に設けた穴１６に
挿入されている。この端子１７は、図示しないコントロ
ールユニットの端子と結合されている。ヨーク３の有底
部には、可動部４Ａを受容するプランジャ受容部１８が
開けられており、その下部にはさらにプランジャ受容部
１８より大径に形成され、ストッパ１９及びノズル部材
７を受容するノズル受容部２０がヨーク先端まで貫設さ
れている。

【００１４】可動部４Ａは、磁性材料製プランジャ４
と、一端がプランジャ４に接合されたロッド５とロッド
５の他端に接合されたボール６とより成るが、ロッド５
のプランジャ４側には燃料の通過を許す空洞部５Ａが設
けてある。この空洞部５Ａには燃料の流出口５Ｂが設け
てある。また可動部４Ａは、プランジャ４の外周がシー
ルリング１２に当接することでその軸方向の動きを案内
されるとともに、他端部に接合されたボール６がノズル
部材７の中空部の内壁２１に挿入される円筒状の燃料旋
回素子２２の内壁に当接することでそれぞれガイドされ
ている。ノズル部材７には、ボール弁６をガイドする円
筒状の燃料旋回素子２２につづいて、ボール弁６をシー
トするシート面９が形成されており、シート面９の中央
には燃料の通過を許す噴射孔８が設けられている。可動
部４Ａのストローク（軸上方への移動量）は、ロッド５
の首部の受け面５ａとストッパ１９間の空隙の寸法で決
定される。なお、２６はフィルタで燃料中，配管中のゴ
ミや異物がシート側へ侵入するのを防ぐために設けられ
ている。

【００１５】ノズル部材７の先端には、一体的に形成さ
れる本発明にかかる衝突壁２５が設けられている。ここ
に、図２及び図３を用いてその作用について説明する。
図２は先部分周辺の拡大断面図で、図３は図２のＡ方向
視図である。

【００１６】衝突壁２５は、噴射孔８より僅かに離れた
位置にあって、その噴射孔８の中心を通る面のいずれか
一方面側に軸方向下流に延長されている。また、噴射孔
８に対面する平面の長さは、噴射孔８の直径より十分大
きい面を有している。なお、実施例はその断面が三ヶ月
型として示されているが、噴射孔８に対応する面が多少
わん曲するなど変形しても良い。

【００１７】戻って、燃料旋回素子２２には、軸方向溝
２３と径方向溝２４が設けてある。本実施例では、軸方
向溝２３はＤカット面で形成しているが、環状通路等他
の形状であっても良い。かかる軸方向溝２３と径方向溝
２４は、弁上方より導入される燃料通路であるが、軸方
向溝２３を通過した燃料は径方向溝２４にて軸中心より
偏心導入される。いわゆる、燃料に旋回が付与されノズ
ル部材７に設けた噴射孔８より噴射する際の微粒化を促
進する働きがある。ここに、燃料旋回素子２２により付
与される旋回強度（スワール数Ｓ）は次式で求められ
る。

【００１８】

【数１】Ｓ＝（角運動量）／（噴射軸方向の運動量）×（オリフィス半径）＝２・ｄ₀・Ｌｓ／ｎ・ｄｓ²・cos θ／２ここに、ｄ₀：燃料噴射孔の直径Ｌｓ：溝の偏心量ｎ：溝の数 θ ：弁座の角度ｄｓ：流れ学的等価直径で溝幅Ｗと溝高さＨを用いて表される。

【００１９】＝２・Ｗ・Ｈ／Ｗ＋Ｈである。このスワール数を大きくすると、微粒化が促進
され噴霧が分散される。

【００２０】以上のように構成された、本噴射弁１の動
作を説明する。噴射弁１は、電磁コイル１４に与えられ
る電気的なＯＮ−ＯＦＦ信号により、可動部４Ａを操作
してバルブシート面９の開閉を行い、それによって燃料
の噴射制御を行う。電気信号がコイル１４に与えられる
と、コア２，ヨーク３，プランジャ４で磁気回路が形成
され、プランジャ４がコア２側に吸引される。プランジ
ャ４が移動すると、これと一体になっているボール弁６
も移動してノズル部材７の弁座のシート面９から離れ噴
射孔８を開放する。燃料は、図示しない燃料ポンプや燃
料圧力を調整するレギュレータを介して加圧調整され、
フィルタ２６から噴射弁１の内部に流入し、コイル組立
体１５の下部通路、プランジャ４の外周部分、ストッパ
１９とロッド５の隙間、燃料旋回素子２２の溝２３，２
４を通って、シート部へ旋回供給され、噴射孔８を通っ
てエンジンの燃焼室内に噴射される。

【００２１】ここに、噴霧形態を模式化した図４及び図
５を用いてその流動を説明する。

【００２２】図４は、吸気行程期間に噴射した様子を示
している。広く分散した噴霧と部分的に強い流動を有す
る噴霧の流動を示したもので、筒内噴射ガソリンエンジ
ンのアイドル運転や高負荷運転時に対応し、混合気の均
質化を行い燃焼（均質燃焼）を実施する。このような噴
霧は、燃料の旋回強度（スワール力）を十分に強めて得
られるが、本実施例では燃料旋回素子２２の溝２３の偏
心量Ｌｓ（溝中心と軸心間距離）を大きくしている。ス
ワール力を十分に強めると、噴射孔８部で燃料の圧力エ
ネルギーが旋回速度エネルギーに置換され燃料の膜状化
が進む。しかる後、中空円錐状に噴射される、この液膜
は速やかに分裂微粒化されて液滴の運動量が失われ、ペ
ネトレーションが抑制され均質に分散される。さらに、
本実施例では噴射孔８出口部に衝突壁２５が設けてある
ため、液膜の一部がこの衝突壁２５への付着効果によっ
て集められ、図４に示したような部分的に強い流動を生
成する。この部分的に強い流動は、ピストンのキャビテ
ィに向うように配置されており、このキャビティのＲ面
でさらにその方向を曲げられて、分散した噴霧の一部を
巻き込むようにして点火プラグに向かう。

【００２３】図５は、圧縮行程後期に噴射した噴霧の流
動の様子を示している。筒内噴射ガソリンエンジンの部
分負荷運転時に対応し、混合気の希薄化により成層燃焼
を実施する。圧縮行程後期では、燃焼室内の圧力が０.
５ＭＰａ程度上昇するため、噴霧は雰囲気密度の増大
によってペネトレーションが抑制されるとともに、噴霧
内外の圧力差によってしぼみ、図に示されるようなコン
パクト噴霧となってピストンのキャビティ内に収まる。
燃焼室内は、この部分を除いて希薄化され成層混合気が
生成される。

【００２４】図６及び図７は本発明の第二実施例を示す
もので、図７は図６のＢ方向視図である。この実施例
は、衝突壁２８を有するノズルカバー２７をノズル部材
７に設けたものである。第一実施例との違いは、衝突壁
２８をノズル部材７とは別体にしていることであり、こ
れによって噴射弁が安価に製作できる。なお、ノズルカ
バー２７の材質を熱伝導性の良い材料とすることによ
り、燃焼時に温度が高められデポジット（ガソリンやガ
ソリンと混合したエンジン潤滑油の炭素化途上物であ
る）の自己洗浄効果が得られる。本実施例においても、
図４及び図５に示したような噴霧形態を得られ、第一実
施例と同様な作用効果が得られている。

【００２５】図８及び図９は、本発明の第三実施例を示
すもので、図９は図８のＣ方向視図である。この実施例
は、燃料噴射孔３０の出口部に段差を設けたもので、燃
料の噴射の際に、噴射孔長さの大きくなる端面側２９で
噴霧を部分的に集めて流動の強い噴霧となるように構成
したものである。第一実施例及び第二実施例とは異な
り、噴射孔の部分的な追加工によって構成するため、噴
射弁がより安価に製作できるという効果がある。

【００２６】次に、図１０を用いて、筆者らが検討に用
いた筒内直噴ガソリンエンジン６０について構成と燃焼
動作の概要を説明する。図は、エンジン回りの要部拡大
図を示している。６１はスロットルバルブを内蔵する吸
入空気量制御装置で、６２は吸入空気量制御装置６１を
取り付ける吸気マニホールドである。６３はシリンダヘ
ッドで、吸気マニホールド６２側に吸気弁６４，中央部
に点火プラグ６５，吸気弁６４と反対側に排気弁６６が
設けられている。本発明に係る筒内噴射用電磁式燃料噴
射弁１は、シリンダヘッド６３の吸気マニホールド６２
との結合部付近に３０°〜４５°傾斜して取り付けられ
る。その噴射方向は、燃焼室６７内のピストン６９に設
けられたキャビティ６９Ａに向かうように固定されてい
る。６８はシリンダである。図中の白抜きの矢印は吸気
の流れを示しており、ハッチングの矢印は排気ガスの流
れをそれぞれ示している。

【００２７】本ガソリンエンジンは、負荷によって燃焼
状態を以下のように制御している。部分負荷では後期筒
内噴射（圧縮行程噴射）により成層燃焼を、また、高負
荷では前記筒内噴射（吸気行程噴射）により均質燃焼を
行っている。成層燃焼では点火プラグ６５近傍に濃い混
合気の層を形成させ希薄な混合気の安定燃焼を実現す
る。また、均質燃焼では燃焼室全体に混合気の均質化を
図り、予混合希薄燃焼を実現する。これらは、低燃費と
高出力を同時に実現することを狙ったものであり、筒内
噴射用電磁式燃料噴射弁１から噴射される噴霧は、吸
気，圧縮等のタイミングに合わせてそれぞれ生成され
る。噴射信号は、図示しない制御ユニットがエンジンの
運転情報に基づいて行う。図は吸気行程時の燃料噴射の
状況を示したもので、噴霧燃料は燃焼室６７において空
気と混合を促進するが、この際、噴霧中の部分的に強い
流動を持つ噴霧はピストン６９のキャビティ６９Ａによ
って流れ方向を規制される。すなわち、図中に濃く示し
た矢印のようにその流れが点火プラグ６５に向かうよう
になる。また一方、速度の小さい小径液滴は、燃焼室６
７内に分散され空気との混合が促進される。しかる後、
混合気は圧縮行程で圧縮され点火プラグ６５にて着火さ
れ、未燃焼ガスの排出量が抑制された安定した希薄燃焼
が実現される。

【００２８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
燃料旋回素子によって効果的に旋回力を付与されて得ら
れる広く分散した噴霧中に、燃料噴射孔の出口部に設け
た衝突壁によって部分的に強い流動を有する噴霧を付加
できる。このような噴霧を筒内噴射ガソリンエンジンの
燃焼室に供給すると、噴霧の流動と小径液滴の分散によ
って、エンジンの点火性を良好とし、あわせて希薄混合
燃焼が実現され未燃ガス成分の排出量の低減と燃費の向
上が図られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例である筒内噴射用電磁式燃料
噴射弁の縦断面図。

【図２】本発明の筒内噴射用電磁式燃料噴射弁の先部分
周辺の拡大断面図。

【図３】図２のＡ方向から視みた正面図。

【図４】吸気行程噴射（大気圧下）での噴霧の模式図。

【図５】圧縮行程噴射（加圧下）での噴霧の模式図。

【図６】本発明の第二実施例を示す電磁式燃料噴射弁の
先部分周辺の断面図。

【図７】図６のＢ方向から視みた正面図。

【図８】本発明の第三実施例を示す電磁式燃料噴射弁の
噴射孔部分周辺の断面図。

【図９】図６のＣ方向から視みた正面図。

【図１０】本発明の電磁式燃料噴射弁を組み込んだ筒内
噴射ガソリンエンジンの要部拡大図。

【符号の説明】

１…電磁式燃料噴射弁、６…ボール弁、８…燃料噴射
孔、２２…燃料旋回素子、２３…軸方向溝、２４…径方
向溝、２５…衝突壁。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者山門誠茨城県土浦市神立町502番地株式会社日立製作所機械研究所内 (72)発明者田辺好之茨城県ひたちなか市大字高場2520番地株式会社日立製作所自動車機器事業部内 (72)発明者濱田泰久茨城県ひたちなか市高場2477番地株式会社日立カーエンジニアリング内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】内燃機関の燃焼室内に燃料を直接噴射する
電磁式燃料噴射弁であって、内部に燃料の流通する燃料
通路が形成されるとともに、該燃料通路の開閉を行う弁
部材と、該弁部材の弁座部の上流側において燃料に旋回
を与える燃料旋回部材と、また、該弁座部の下流側にお
いて燃料の通過を許す燃料噴射孔とを備え、燃料噴射孔
より僅かに離れた位置にあって、該燃料噴射孔の中心を
通る面のいずれか一方面側に軸方向下流に延びる、該燃
料噴射孔の直径より大きい面を有する衝突壁を設けたこ
とを特徴とする筒内噴射用電磁式燃料噴射弁。
【請求項２】内燃機関の燃焼室内に燃料を直接噴射する
電磁式燃料噴射弁であって、内部に燃料の流通する燃料
通路が形成されるとともに、該燃料通路の開閉を行う弁
部材と、該弁部材の弁座部の上流側において燃料に旋回
を与える燃料旋回部材と、また、該弁座部の下流側にお
いて燃料の通過を許す燃料噴射孔とを備え、燃料噴射孔
より僅かに離れた位置にあって、該燃料噴射孔の中心を
通る面のいずれか一方面側に軸方向下流に延びる、該燃
料噴射孔の直径より大きい面を有する衝突壁を設け、該
衝突壁により噴霧を部分的に集めて流動の強い噴霧とし
たことを特徴とする筒内噴射用電磁式燃料噴射弁。
【請求項３】内燃機関の燃焼室内に燃料を直接噴射する
電磁式燃料噴射弁であって、内部に燃料の流通する燃料
通路が形成されるとともに、該燃料通路の開閉を行う弁
部材と、該弁部材の弁座部の上流側において燃料に旋回
を与える燃料旋回部材と、また、該弁座部の下流側にお
いて燃料の通過を許す燃料噴射孔とを備え、該燃料噴射
孔の該端面が部分的に段差を有して構成され、燃料の噴
射の際に、噴射孔の長さの大なる端面側で噴霧を部分的
に集めて流動の強い噴霧としたことを特徴とする筒内噴
射用電磁式燃料噴射弁。